JPH06105182B2 - 赤外検出器 - Google Patents
赤外検出器Info
- Publication number
- JPH06105182B2 JPH06105182B2 JP2016994A JP1699490A JPH06105182B2 JP H06105182 B2 JPH06105182 B2 JP H06105182B2 JP 2016994 A JP2016994 A JP 2016994A JP 1699490 A JP1699490 A JP 1699490A JP H06105182 B2 JPH06105182 B2 JP H06105182B2
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- Japan
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- detector
- infrared
- thin film
- sensitivity
- diamond thin
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Radiation Pyrometers (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 ダイヤモンド薄膜を応用した高感度高速応答の赤外検出
器に関するものである。
器に関するものである。
〔従来の技術〕 赤外,遠赤外領域の光検出器は熱的検出器と量子的検出
器に分別される。前者は波長依存性がなく室温動作が可
能であるが、感度,反応速度に難点がある。後者は量子
効果を利用するため感度,反応速度に優れるが、低温に
保持したり波長依存性があったりして汎用性に限度があ
る。
器に分別される。前者は波長依存性がなく室温動作が可
能であるが、感度,反応速度に難点がある。後者は量子
効果を利用するため感度,反応速度に優れるが、低温に
保持したり波長依存性があったりして汎用性に限度があ
る。
熱的検出器は感度,反応速度の向上を目指して種々のも
のが報告されている。熱起電力の形にして測定する熱電
対型,抵抗の温度変化の形で測定するボロメータ,気体
の熱膨張として計測するニューマチック検出器,焦電効
果を利用する強誘電体素子等がある。これらはいずれも
赤外,遠赤外光を熱に変えて温度上昇分を光強度として
換算するものである。すなわち検出器にWのエネルギー
が入射して△Tの温度変化を生じたとすると のエネルギーバランスが成り立つ。ここにCは検出器本
体の素子の熱容量,Gはこの検出素子の熱コンダクタンス
である。(1)式は入射光は断続すること(角周波数
ω)によりW=ω0eiωtとして ここにτはこの検出器の時定数である。τを小さくする
ことが、応答速度を早くするが、検出器の感度はGの大
きさに逆比例するので、種々の工夫が必要である。
のが報告されている。熱起電力の形にして測定する熱電
対型,抵抗の温度変化の形で測定するボロメータ,気体
の熱膨張として計測するニューマチック検出器,焦電効
果を利用する強誘電体素子等がある。これらはいずれも
赤外,遠赤外光を熱に変えて温度上昇分を光強度として
換算するものである。すなわち検出器にWのエネルギー
が入射して△Tの温度変化を生じたとすると のエネルギーバランスが成り立つ。ここにCは検出器本
体の素子の熱容量,Gはこの検出素子の熱コンダクタンス
である。(1)式は入射光は断続すること(角周波数
ω)によりW=ω0eiωtとして ここにτはこの検出器の時定数である。τを小さくする
ことが、応答速度を早くするが、検出器の感度はGの大
きさに逆比例するので、種々の工夫が必要である。
前述のような原理を利用した汎用性の高い熱的検出器と
しては、以下に示すような4つが一般的だが、それぞれ
に欠点を有していた。
しては、以下に示すような4つが一般的だが、それぞれ
に欠点を有していた。
1.熱電対型 赤外検出器に用いる熱電対は主にビスマス・アンチモン
系の合金を用い、極力小型にして熱容量を下げている。
又感度を上げるため(2)式のGを小さくするよう真空
封止の形をとっている。このため熱電対型には真空封止
用窓材が必須となり、ダイヤモンド窓やサファイア窓が
使われている。この様にして赤外分光光度計などにはこ
の形の検出器が主に使われているが、それでも時定数10
msec程度,NEP(Noise Eguivalent Power(検出感度)1
×10-10W程度である。
系の合金を用い、極力小型にして熱容量を下げている。
又感度を上げるため(2)式のGを小さくするよう真空
封止の形をとっている。このため熱電対型には真空封止
用窓材が必須となり、ダイヤモンド窓やサファイア窓が
使われている。この様にして赤外分光光度計などにはこ
の形の検出器が主に使われているが、それでも時定数10
msec程度,NEP(Noise Eguivalent Power(検出感度)1
×10-10W程度である。
2.ボロメーター この形の検出器としてはニッケル,コバルト酸化物が良
く使われる。サーミスタタイプのものは厚さをできるだ
け薄くし、受光面積を小さくして感度をあげている。周
辺への熱の伝導がこの検出器の時定数4msec,NEP(検出
感度)3×10-8Wが一般的であるが、アルゴンガス封止
のため窓材が必要である。
く使われる。サーミスタタイプのものは厚さをできるだ
け薄くし、受光面積を小さくして感度をあげている。周
辺への熱の伝導がこの検出器の時定数4msec,NEP(検出
感度)3×10-8Wが一般的であるが、アルゴンガス封止
のため窓材が必要である。
3.ニューマチックタイプゴーレイセル 時定数10msec,NEP(検出感度)〜×10-11Wのものが市販
されているが、使用温度制限が厳しくかつ装置そのもの
が大形化しているので主に遠赤外領域に使用が限定され
る。
されているが、使用温度制限が厳しくかつ装置そのもの
が大形化しているので主に遠赤外領域に使用が限定され
る。
4.焦電型強誘電体センサー 主に高速FTIR用に使われ、TGS(トリグリシンサルファ
イド)やDIGS(重水素化TGS)がよく使われる。時定数
はμSオーダーであり、NEP(検出感度)は10-10W位で
ある。この形の検出器は焦電効果を使うため、表面電荷
を消すための工夫が必要であり、アルゴン,ネオン等の
ガスを密封する必要がある。このため窓材が必要になり
KBrやテフロン等を用いるが、波長依存性が発生する。
又交流測定しか出来ず、光強度の絶対値は測れない。
イド)やDIGS(重水素化TGS)がよく使われる。時定数
はμSオーダーであり、NEP(検出感度)は10-10W位で
ある。この形の検出器は焦電効果を使うため、表面電荷
を消すための工夫が必要であり、アルゴン,ネオン等の
ガスを密封する必要がある。このため窓材が必要になり
KBrやテフロン等を用いるが、波長依存性が発生する。
又交流測定しか出来ず、光強度の絶対値は測れない。
このように、いずれのタイプには若干の問題があり、よ
り高感度,高速応答性の赤外線センサーが必要とされて
いた。
り高感度,高速応答性の赤外線センサーが必要とされて
いた。
〔目的〕 本発明はダイヤモンド薄膜のもつ赤外領域の透明性と高
熱伝導性,低比熱を利用して既存の赤外センサーより一
桁高い感度と高速度応答性を可能とする汎用性を重視し
た赤外検出器を提供するものである。
熱伝導性,低比熱を利用して既存の赤外センサーより一
桁高い感度と高速度応答性を可能とする汎用性を重視し
た赤外検出器を提供するものである。
高感度高速応答の赤外センサーを作るに当たってダイヤ
モンドのもつ特徴である透明性(Band Gap 5.5eVで赤外
活性モードが存在しないため赤外,遠赤外領域で透明で
ある)と高熱伝導性(〜20W/cm,dog)を利用する。更に
このダイヤモンド薄膜中にボロンをドープすることによ
り抵抗値を自由に制御して、サーミスタボロメータータ
イプの構造とする。ダイヤモンド薄膜はデバイ温度が22
40Kと高く比熱24ジュール/mol.dogと小さい。このため
ダイヤモンド薄膜の中に一体構造としてサーミスタとな
る層と蓄熱層となる部分を形成することで見かけ上の熱
コンダクタンス(G)を小さくすることが出来感度を高
めることができる。しかし実際の熱コンダクタンス
(G)は((2)式のG)はサーミスタ層のみできまる
ため時定数は小さいままである。
モンドのもつ特徴である透明性(Band Gap 5.5eVで赤外
活性モードが存在しないため赤外,遠赤外領域で透明で
ある)と高熱伝導性(〜20W/cm,dog)を利用する。更に
このダイヤモンド薄膜中にボロンをドープすることによ
り抵抗値を自由に制御して、サーミスタボロメータータ
イプの構造とする。ダイヤモンド薄膜はデバイ温度が22
40Kと高く比熱24ジュール/mol.dogと小さい。このため
ダイヤモンド薄膜の中に一体構造としてサーミスタとな
る層と蓄熱層となる部分を形成することで見かけ上の熱
コンダクタンス(G)を小さくすることが出来感度を高
めることができる。しかし実際の熱コンダクタンス
(G)は((2)式のG)はサーミスタ層のみできまる
ため時定数は小さいままである。
この様な検出器の一例を第1図に示す。
センサー部はCVD法により形成されたダイヤモンド薄膜
(−10μm)とその表面近傍部分にボロンをドープする
ことでP型半導体(2)とする(〜約1μm厚)ことで
サーミスタを一体化して形成し、その表面に光吸収層
(1)を蒸着して光を熱に変える機能をもたせる。つま
り前述の(1)式の右辺の第2項は外部(センサー部以
外)への熱伝導係数であり、一体化された検出器におい
てはセンサー部より10倍の厚みをもつノンドープのダイ
ヤモンド(3)への熱伝導によりセンサー部には蓄熱さ
れず時定数は10-6秒台の速度を達成できる。すなわち本
発明の赤外線検出器表面のごく一部がセンサーとして働
いているのみである為、センサーの熱容量は小さい。従
って前述の(1)式の熱コンダクタンスG)はダイヤモ
ンド自身の物質特性で期待できる20W/cm.Kに充分に近く
検出器の熱容量Cはダイヤモンドで期待される10μW/c
m.Kに充分に近くすることができ、時定数としてτ=C/G
〜10-6程度になる。
(−10μm)とその表面近傍部分にボロンをドープする
ことでP型半導体(2)とする(〜約1μm厚)ことで
サーミスタを一体化して形成し、その表面に光吸収層
(1)を蒸着して光を熱に変える機能をもたせる。つま
り前述の(1)式の右辺の第2項は外部(センサー部以
外)への熱伝導係数であり、一体化された検出器におい
てはセンサー部より10倍の厚みをもつノンドープのダイ
ヤモンド(3)への熱伝導によりセンサー部には蓄熱さ
れず時定数は10-6秒台の速度を達成できる。すなわち本
発明の赤外線検出器表面のごく一部がセンサーとして働
いているのみである為、センサーの熱容量は小さい。従
って前述の(1)式の熱コンダクタンスG)はダイヤモ
ンド自身の物質特性で期待できる20W/cm.Kに充分に近く
検出器の熱容量Cはダイヤモンドで期待される10μW/c
m.Kに充分に近くすることができ、時定数としてτ=C/G
〜10-6程度になる。
感度を与える(2)式はこの検出器全体が周囲から熱的
に隔離されていれば、すなわち第1図の真性ダイヤモン
ド(3)の部分を含めた検出器(4)が真空中に保たれ
る等の手法により孤立した系になっていれば、実質的な
Gは小さくすることができ前述の(2)式で与えられる
感度も充分なものが得られる。
に隔離されていれば、すなわち第1図の真性ダイヤモン
ド(3)の部分を含めた検出器(4)が真空中に保たれ
る等の手法により孤立した系になっていれば、実質的な
Gは小さくすることができ前述の(2)式で与えられる
感度も充分なものが得られる。
『実施例』 本発明ではダイヤモンド薄膜を10μm、シリコン基板上
に形成する。形成されたダイヤモンド薄膜は、低圧CVD
法により気相合成するため窒素,ボロン等の不純物等を
含まないもので比抵抗108〜1015Ωcmのものである。気
相合成に当たっては磁場を利用したホイッスラーモード
CVD法によるものとし、成長温度800℃,反応室内圧力0.
25Torr,マイクロ波入力4KW,磁場強度875Gauss場所でメ
タン系ガスと水素の混合ガス(例えばCH3OH:H2=1:4の
比率)によって24時間成膜し、粒径サイズ10μm程度の
ダイヤモンド薄膜を形成した。この様なダイヤモンド薄
膜を5×5mm2に裁断し、イオン注入装置の中にセットす
る。イオン注入装置はB2H6を原料ガスとし、B+イオンを
100KeV程度に加速してダイヤモンド薄膜表面に照射す
る。ドース量としては1016〜1017/cm2程度である。この
際、ターゲット基板は100℃〜500℃に加熱されているこ
とが必要である。
に形成する。形成されたダイヤモンド薄膜は、低圧CVD
法により気相合成するため窒素,ボロン等の不純物等を
含まないもので比抵抗108〜1015Ωcmのものである。気
相合成に当たっては磁場を利用したホイッスラーモード
CVD法によるものとし、成長温度800℃,反応室内圧力0.
25Torr,マイクロ波入力4KW,磁場強度875Gauss場所でメ
タン系ガスと水素の混合ガス(例えばCH3OH:H2=1:4の
比率)によって24時間成膜し、粒径サイズ10μm程度の
ダイヤモンド薄膜を形成した。この様なダイヤモンド薄
膜を5×5mm2に裁断し、イオン注入装置の中にセットす
る。イオン注入装置はB2H6を原料ガスとし、B+イオンを
100KeV程度に加速してダイヤモンド薄膜表面に照射す
る。ドース量としては1016〜1017/cm2程度である。この
際、ターゲット基板は100℃〜500℃に加熱されているこ
とが必要である。
この様にしてBイオンを注入されたダイヤモンド基板は
150KeV以下の加速エネルギーに対し、表面より1μm以
内の深さにおいてカスーケード衝突を生じ、P層(2)
を形成することになる。また、加速されて注入されたボ
ロンは、ダイヤモンド薄膜表面付近には存在する量が少
ない。そのため正確にはP層(2)はダイヤモンド薄膜
表面より少々深い位置に形成される、しかしその領域の
境界は明確ではない。この層はこのままではアモルファ
ス層であり、電気特性が不安定である。このためランプ
加熱によるラピットサーマルアニーリングを行なう。こ
の結果、ダイヤモンド表面近傍の層は1μmの厚みのP
型半導体層(2)となり、比抵抗10-1〜10-5Ωcm,サー
ミスタ係数B=2000〜7000のものを作ることができた。
150KeV以下の加速エネルギーに対し、表面より1μm以
内の深さにおいてカスーケード衝突を生じ、P層(2)
を形成することになる。また、加速されて注入されたボ
ロンは、ダイヤモンド薄膜表面付近には存在する量が少
ない。そのため正確にはP層(2)はダイヤモンド薄膜
表面より少々深い位置に形成される、しかしその領域の
境界は明確ではない。この層はこのままではアモルファ
ス層であり、電気特性が不安定である。このためランプ
加熱によるラピットサーマルアニーリングを行なう。こ
の結果、ダイヤモンド表面近傍の層は1μmの厚みのP
型半導体層(2)となり、比抵抗10-1〜10-5Ωcm,サー
ミスタ係数B=2000〜7000のものを作ることができた。
この様にしたダイヤモンド基板に赤外線を吸収して熱に
変える膜(1)を形成する。この膜は波長依存性をなく
し、かつ完全黒体に近い作用をする必要がある。この黒
体形成法としてN2圧1〜2mmHgに保たれた真空蒸着機の
中でAuを蒸着することにより行なった。厚みは約1μm
ににとどめる。このAu蒸着の際に、メタルマスクを用い
て、表面上の黒体(1)と、電極(5)とを同時に作成
する。
変える膜(1)を形成する。この膜は波長依存性をなく
し、かつ完全黒体に近い作用をする必要がある。この黒
体形成法としてN2圧1〜2mmHgに保たれた真空蒸着機の
中でAuを蒸着することにより行なった。厚みは約1μm
ににとどめる。このAu蒸着の際に、メタルマスクを用い
て、表面上の黒体(1)と、電極(5)とを同時に作成
する。
この状態とした後、アルコール中に浸すことでシリコン
基板上からダイヤモンド薄膜よりなる検出器(4)を分
離し、第2図に示す様にハーメチックシールから伸ばさ
れた細いタングステンワイヤで電極(5)にボンディン
グして空中に保持する。
基板上からダイヤモンド薄膜よりなる検出器(4)を分
離し、第2図に示す様にハーメチックシールから伸ばさ
れた細いタングステンワイヤで電極(5)にボンディン
グして空中に保持する。
この様に空中に保持されたダイヤモンド薄膜を用いた検
出器(4)は周辺より隔離されており、熱伝導率は素子
そのものは大きいが検出器全体として実質的には小さ
く、測定条件に合わせて場合により真空封止あるいは大
気解放として感度の最適化を測ることができる。
出器(4)は周辺より隔離されており、熱伝導率は素子
そのものは大きいが検出器全体として実質的には小さ
く、測定条件に合わせて場合により真空封止あるいは大
気解放として感度の最適化を測ることができる。
この様にして製作される赤外センサーはAuの黒化膜によ
り波長依存性がなく、可視光領域から1000μmの赤外領
域まで均一な感度をもち応答速度としてマイクロ秒の応
答をもつサーミスタのボロメーターを提供することがで
きた。
り波長依存性がなく、可視光領域から1000μmの赤外領
域まで均一な感度をもち応答速度としてマイクロ秒の応
答をもつサーミスタのボロメーターを提供することがで
きた。
一体化されたセンサー(サーミスタ)部分をもつダイヤ
モンド薄膜を用いた赤外線検出器は、熱の反射屈折等が
無く高速応答が可能であり、感度的にも充分である。今
まで赤外センサーで問題になっていた応答性と感度の二
律相反性はこの様なダイヤモンドの表面層にサーミスタ
機能を付加することで解決され、マイクロセカンドの応
答性が期待される。
モンド薄膜を用いた赤外線検出器は、熱の反射屈折等が
無く高速応答が可能であり、感度的にも充分である。今
まで赤外センサーで問題になっていた応答性と感度の二
律相反性はこの様なダイヤモンドの表面層にサーミスタ
機能を付加することで解決され、マイクロセカンドの応
答性が期待される。
今まで赤外分光器は分散型の場合、精度的に長時間の掃
引時間を要していたが、この高速赤外センサーにより一
桁以上の高速掃引が可能となる。又、このタイプの一体
化ダイヤモンドセンサーは高速,高感度のためガスクロ
マトグラフィーの検出部として白金センサーに置き換え
うるものであり、種々の腐蝕性ガスに対して安全であ
る。このことにより、高感度高速のガスクロマトグラフ
ィーが可能となる。
引時間を要していたが、この高速赤外センサーにより一
桁以上の高速掃引が可能となる。又、このタイプの一体
化ダイヤモンドセンサーは高速,高感度のためガスクロ
マトグラフィーの検出部として白金センサーに置き換え
うるものであり、種々の腐蝕性ガスに対して安全であ
る。このことにより、高感度高速のガスクロマトグラフ
ィーが可能となる。
第1図は、ダイヤモンド薄膜を用いた赤外線検出器の概
略断面図を示す。 第2図は、本発明の検出器の一例を示す。 1……黒体 2……サーミスタ部 3……ダイヤモンド薄膜 4……検出器 5……電極
略断面図を示す。 第2図は、本発明の検出器の一例を示す。 1……黒体 2……サーミスタ部 3……ダイヤモンド薄膜 4……検出器 5……電極
Claims (2)
- 【請求項1】ダイヤモンド薄膜を用いた赤外検出器であ
って、前記ダイヤモンド薄膜の表面近傍付近はP型層が
形成され、前記P型層はサーミスタ機能を有し、前記P
型層に続いて真性ダイヤモンド薄膜が一体化して設けら
れたことを特徴とする赤外検出器。 - 【請求項2】特許請求の範囲第1項において、前記赤外
検出器はハーメチックシール内で、熱的に遮断された系
に保持された系であることを特徴とする赤外検出器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016994A JPH06105182B2 (ja) | 1990-01-26 | 1990-01-26 | 赤外検出器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016994A JPH06105182B2 (ja) | 1990-01-26 | 1990-01-26 | 赤外検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03221820A JPH03221820A (ja) | 1991-09-30 |
| JPH06105182B2 true JPH06105182B2 (ja) | 1994-12-21 |
Family
ID=11931574
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2016994A Expired - Fee Related JPH06105182B2 (ja) | 1990-01-26 | 1990-01-26 | 赤外検出器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06105182B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001011698A1 (fr) * | 1999-08-03 | 2001-02-15 | Toyo Kohan Co., Ltd. | Dispositif thermoelectrique et son procede de fabrication |
| GB0424934D0 (en) * | 2004-11-12 | 2004-12-15 | Qinetiq Ltd | Infrared detector |
| JP4214124B2 (ja) | 2005-03-14 | 2009-01-28 | 株式会社バイオエコーネット | 耳式体温計 |
-
1990
- 1990-01-26 JP JP2016994A patent/JPH06105182B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03221820A (ja) | 1991-09-30 |
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